L’enigma della materia oscura: da Ginevra nuove rivelazioni

Sappiamo che c’è qualcosa, ma non abbiamo idea di che cosa. Invisibile ma presente. Per questo gli scienziati hanno deciso di chiamarla materia oscura. Sebbene non sappiamo ancora che cosa sia, una nuova scoperta del gruppo guidato dalla professoressa Camille Bonvin dell’Università di Ginevra ci dice qualcosa in più su che cosa, al contrario, non possa essere. Lo studio, pubblicato in ottobre sulla rivista Nature Communication, permette così di stringere lentamente il cerchio attorno a uno dei misteri più affascinanti della fisica contemporanea. 

La materia oscura è un tipo di materia che percepiamo in modo indiretto attraverso la gravità. Grazie alla teoria della relatività generale di Einstein, sappiamo come la materia agisce su altra materia e possiamo quindi calcolare le traiettorie dei corpi celesti nello spazio. Quando però osserviamo con i telescopi le galassie nelle profondità dell’universo, diventa evidente che qualcos’altro sia presente, anche se non riusciamo a vederlo. È come se, sollevando una borsa, questa risultasse molto più pesante di quanto ci aspettiamo, pur non contenendo nulla che spieghi la massa aggiuntiva. «Se confrontiamo quanta materia sarebbe necessaria per spiegare questi movimenti con quanta ne riusciamo effettivamente a vedere, notiamo una discrepanza: sembra che nell’universo ci sia circa cinque volte più materia di quella che i nostri telescopi riescono a rilevare. La materia oscura è proprio questa componente invisibile che non possiamo osservare direttamente con i nostri strumenti», riassume la professoressa Bonvin. 

Nel loro recente lavoro, Camille Bonvin e i suoi colleghi hanno cercato di capire se la materia oscura possa essere soggetta a una forza sconosciuta che agisce solo su di essa. La fisica teorica ci dice che esistono solo quattro forze: quella elettromagnetica, responsabile delle interazioni fra le cariche di atomi e molecole, quella forte e quella debole, che agiscono nella parte più interna degli atomi, e la forza di gravità. I cosmologi però non possono escludere che esista una quinta forza sconosciuta che coinvolga la materia oscura. Per questo il gruppo di ricerca ginevrino ha determinato che, se esiste, questa quinta forza fondamentale deve essere molto debole, una frazione della gravità.

La scoperta, quindi, non esclude completamente la presenza di una quinta forza fondamentale, ma pone dei limiti alla sua intensità. Ciò permette di escludere alcune teorie e rafforzarne altre, come in un film poliziesco in cui l’investigatore, non trovando il colpevole, procede per lenta e meticolosa esclusione dei sospetti. Nella fisica fondamentale è comune che esistano molteplici teorie in grado di spiegare quanto osservato finora ed è compito della comunità metterle continuamente alla prova. Il lavoro della squadra di Bonvin permette così di affinare le ricerche future e di concentrare le risorse, sia economiche che intellettuali, verso le ipotesi più probabili.

Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno osservato la luce proveniente dalle galassie lontane, che permette di capire la velocità con cui una galassia si muove nello spazio. «Se la galassia si muove verso di noi, appare più blu di quanto sia in realtà. Se invece si allontana da noi, appare più rossa», spiega Bonvin. Queste valutazioni sono state possibili grazie ai dati acquisiti nel tempo da decine di telescopi diversi posti in tutto il mondo. 

Numerosi scienziati si sono cimentati con questo problema e oggi non ci sono più molti dubbi sull’esistenza della materia oscura. «Le osservazioni sono molto solide perché abbiamo molte misurazioni ottenute con tecniche differenti tra loro», precisa la professoressa. Le osservazioni svolte nel corso dei decenni si possono riassumere in tre prove convincenti. 

La prima riguarda la rotazione delle stelle attorno al centro delle galassie. Secondo la relatività, ci aspetteremmo che, man mano che ci si allontana dal nucleo della galassia, le stelle ruotino più lentamente, perché la forza di gravità diminuisce con la distanza. I dati però mostrano che, in realtà, anche se ci allontaniamo le stelle continuano a ruotare alla stessa velocità. «Osserviamo questo comportamento in tutte le galassie dell’universo, non solo in una o in poche. In tutte le galassie che riusciamo a vedere, la velocità di rotazione delle stelle non diminuisce con la distanza. Significa che la materia nel nucleo non costituisce la maggior parte della materia della galassia: esiste altra materia invisibile che permette alle stelle di muoversi alla stessa velocità anche alla periferia». 

Allargando lo sguardo, la seconda prova si riferisce al movimento delle galassie all’interno degli ammassi di galassie, strutture che ne contengono circa un migliaio legate gravitazionalmente. Analizzando il modo in cui le galassie si muovono all’interno degli ammassi, si vede che quanto più un ammasso è massiccio, tanto più velocemente si muovono le galassie al suo interno. «Osserviamo che le galassie si muovono molto più velocemente di quanto ci aspetteremmo sulla base della quantità di materia visibile presente nell’ammasso. Per questo postuliamo di nuovo l’esistenza di una materia invisibile che permetta alle galassie di muoversi così rapidamente». Fu questo il primo indizio che nel 1933 spinse l’astronomo svizzero Fritz Zwicky a postulare l’esistenza della materia oscura. 

Il terzo riguarda la luce. La teoria della relatività spiega infatti che anche i raggi di luce risentono degli effetti della gravità, sebbene in modo impercettibile nella vita quotidiana e rilevante solo in specifiche osservazioni astronomiche. In particolare, grandi masse come le galassie e gli ammassi di galassie piegano leggermente la traiettoria dei raggi di luce. Anche qui, osservando la luce proveniente da galassie lontane, gli scienziati hanno concluso che la luce è deflessa più di quanto la materia visibile possa spiegare, suggerendo la presenza di qualcosa di non direttamente rilevabile. 

Gli studi in ambito cosmologico proseguono in tutto il mondo e stanno prendendo sempre più slancio. «È un periodo fantastico in cosmologia perché ci sono misure sempre più precise» dichiara la professoressa, che continua «All’inizio la cosmologia era un campo soprattutto teorico, perché le osservazioni erano talmente scarse da non permettere di testare quasi nulla. Poi, con il passare degli anni e con telescopi sempre più sofisticati, abbiamo potuto imparare sempre di più sul nostro universo». Si apre così la speranza che l’instancabile lavoro dei cosmologi porti, un giorno non troppo lontano, a svelare il mistero della materia oscura.